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열교환기 구조 및 기능

  

 

1.     개 요

 

 

석유화학장치산업에서 제품의 생산원가를 절감하기 위해서는 열에너지를 효율적으로 사용해야 한다. 이것은 효율적인 연소뿐만 아니라 열에너지의 효율적인 전달도 포함한다.

Heater에서 불을 땔 때에 유분으로 전달되는 열이 많으면 많을수록 전체 연료비는 적어지고, 특히 뜨거운 제품의 유체의 열을 찬흐름으로 효율적으로 전달해 주어야 제조원가를 낮출 수 있는 것이다. 근래에 들어 에너지의 효율적인 관리에 대한 요구가 극대화 되면서 열에너지의 중요성이 대두 되었다.

 

1) 열의 종류

 

① 현열 : 물질의 온도를 변화하게 하는 열

② 잠열 : 물질의 상을 변화하게 하는 열

③ 기화열 : 액상에서 기상으로 변화 시키는데 필요한 (현/잠)열

④ 응축열 : 기상에서 액상으로 변화시키는데 필요한 (잠/현)열

 

 

2) Heating 매체와 Cooling 매체

 

가) Heating 매체

 

① Hot Stream

② HP Steam : 256°C, 600 psig

③ MP Steam : 185°C, 150 psig

④ LP Steam : 147°C, 50 psig / 121°C, 15 psig

 

나) Cooling 매체

① Cold Stream

② Cooling Water

③ Air

 

 

 

3) 열전달의 개념

 

온도가 다른 두물체를 접촉시키면 온도가 높은 물체로부터 온도가 낮은 쪽으로 열은 이동한다. 마침내 두물체의 온도는 같아지게 되며, 결국 열적 평형상태에 도달하게 된다.

열의 흐름에 의한 열전달 기구는 세가지로서 전도, 대류, 복사등이 있다.

 

가) 전도

전도는 물체내의 온도구배가 존재할 때 물체내의 분자의 운동이 뜨거운곳으로부터 차가운 곳으로 옮겨져 나갈 때에 일어난다.

 

 

나) 대류

대류에 의한 열흐름은 유체의 이동에 의한 것이다.

 

① 강제대류

외부의 힘으로 유체가 흐르고 이 유체의 벽과의 사이에서 전열이 되는 것이며, 이것을 강제대류에 의한 전열이라고 한다

 

② 자연대류

온도차에 의해, 즉 유체의 밀도차에 의해 유체의 흐름이 생겨서 벽과의 사이에서 전열이 되는 것이며, 이것을 자연대류에 의한 전열이라고 한다.

 

 

다) 복사

열에너지는 전도에 있어서와 같이 물질내에서 전달될 수도 있고 또 대류에서 처럼 이동하는 물질에 따라 운반될 수도 있다.

열에너지는 또한 물질이 없을 때에도 전달될 수 있으며, 이것이 바로 복사열이다. 즉, 복사는 전자파에 의하여 에너지가 공간을 통하여 전달되는현상이다. 예를 들면 태양열이 지구에 미치는 열을 말할 수 있다.

 

 

 

2.      열교환기의 정의

 

열교환기란 공정의 Flow를 구성하는 고정장치물의 일종으로서, 기· 액상의원재료, 반제품, 제품인 유체가 포함하고 있는 열을 Tube 또는 Plate의 형태를 지닌 전열면을 통해 Cooling Water, Air, 원재료, 반제품, 제품유체 상호간에 열전달을 일으켜 Heating, Cooling, Condensing 등의 기능을 수행하는 설비이다.

 

 

 

3.      열교환기의 종류 및 특성

 

1) 사용목적에 따른 분류

 

가) Heater : 유체를 가열하여 필요한 온도까지 유체온도를 상승시키는 목적으로 사용

 

나) Pre-Heater : 유체에 미리 열을 줌으로써 다음단계의 효율을 양호하게 할 목적으로 사용

 

다) Super-Heater : 유체를 재차 가열하여 과열상태로 하기 위함.

라) Vaporizer : 액체를 가열하여 증발시켜서 발생한 증기를 사용하고자 할 때사용

 

마) Reboiler : 장치중에서 스팀 등의 가열 매체를 이용하여 증류탑의 바닥에서 유입되는 공정유체를 Boiling 시켜 증기를 발생시킴으로써 증류탑으로 공급되어야 할 열을 전달하는 열교환기로서 증기 발생은 단일상 또는 2상 혼합물로 할 수 있다.

 

바) Cooler : 유체를 냉각하여 필요한 온도까지 낮출 목적으로 사용

 

사) Chiller : 빙점 이하인 저온으로 냉각시킬 목적으로 사용

 

아) Condenser : 응축성 기체를 냉각하여 액화시키는 목적에 사용. 특히Steam을 응축시켜 물로 만드는 열교환기를 복수기라 한

다.

 

자) Heat Exchanger : 협의의 열교환기이며 유체간의 열교환을 시켜서 동시에 한쪽을 가열, 다른 쪽을 냉각시키는 목적에 사용하는 열교환기를 말함.

 

 

 

2) 구조상의 분류

 

가) Shell & Tube Type 열교환기

 

① Floating Type Heat Exchanger

 

Tube Bundle의 Rear End Head Type에 따라 분류되는 것으로서 대형 중·저압유체를 Service 하기에 적합한 열교환기로서 비교적 유지보수가 용이하다. Stationary Head, Shell, Rear End Head의 조합에 따라 다양한 형식의 열교환기가 있다. Tube의 열팽창을 Floating Head가 늘어남으로서 흡수한다. 온도차가 큰 열교환에 주로 사용한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[그림 1] Floating Type Heat Exchanger

 

 

② Fixed Type Heat Exchanger

 

Tube Bundle의 Floating Head 부위가 없이 Tube Sheet가 Shell에 완전히고정 설치된 열교환기로 부식성이 적은 고압의 유체를 Service 하는데 적합하고, 청소와 같은 일반 정비작업은 용이하나 Shell Side의 청소, Tube의 부분교체 및 Retubing이 매우 어렵다.

 

 

 

 

 

 

[그림 2] Fixed Type Heat Exchanger

③ U-Tube Type Heat Exchanger

Tube Bundle의 Rear End 부위가 U-Bending 되어 있어 Tube Side의 유체가 Stationary Tube Front End에서 In, Out Service 되는 것이 특징으로 중·고압의 유체를 Service 하는데 적합하나 분리, 조립이 어렵고 Outer Tube Layer를 제외한 Tube 의 부분교체가 불가능하며 Tube Bundle Rear End의 Bending 때문에 운전시 진동이 유발될 수 있다.

 

 

[그림 3] U-Tube Type Heat Exchanger

 

 

 

 

 

 

[그림 4] Tubular Heat Exchanger 의 분류체계

 

 

 

 

 

④ Air Fan Cooler

 

전열면적을 넓히기 위하여 Tube 외면에 Fin이 설치된 열교환기로서 Tube 내부에는 공정유체가 흐르며, 외부로는 Fan을 이용하여 공기를 강제통풍시켜 유체가 함유하고 있는 규정치 이상의 열을 냉각시켜 Cooling 또는 Condensing을 목적으로 하는 열교환기이다.

 

 

[그림 5] Air Fan Cooler

 

 

⑤ Double Pipe Type Heat Exchanger

 

전열면적을 넓히기 위해 Tube 외부에 Horizontal Through Fin이 설치된 Fin Tube를 소구경의 Pipe로 된 Shell 내부에 설치한 열교환기로서 Fin Tube 내부로는 액체가 Service 되고 Pipe로 된 Shell에는 기체상태의 유체가 Service 되면서 기체상태의 유체가 함유하고 있는 규정치 이상의 열을 냉각시키는 열교환기이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[그림 6] Double Pipe Heat Exchanger

 

 

⑥ Plate Type Heat Exchanger

Tube와 Fin 대신에 얇은 판을 설치해서 판과 판사이를 흐르는 유체의 온도차를 이용하여 열교환을 하는 열교환기로서, 열전달 효율이 매우 높고 청소, 조립작업이 용이하나 Brazed Type의 Plate Type Heat Exchanger의 경우는 수리작업이 불가능하다.

 

 

[그림 7] Plate Type Heat Exchanger

 

 

 

 

 

 

 

 

4.      각 부위별 명칭 및 기능

 

1) Floating Type Heat Exchanger

 

 

(1) Channel (2) Channel Flange (3) Channel Cover (4) Channel Nozzle (5) Stationary Tubesheet (6) Tube (7) Shell (8) Shell Cover (9) Shell Flange (10) Shell Noz (11) Shell Cover Flange (12) Floating Tubesheet (13) Floating Head Cover

(14) Floating Head Cover Flange (15) Floating Head Backing Device (16) Tie Rod (17) Spacer (18) Baffle Plate (19) Impingement Plate (20) Partition Plate (21) Vent Connection (22) Drain Connection (23) Instrument Connection (24) Support Saddle (25) Lifting Lug

 

[그림 8] Floating Type Heat Exchanger의 구조

 

(1) Channel

Tube Side를 흐르는 유체의 유입· 방출을 가능케하는 공간을 제공한다.

(2) Channel Flange

Channel Cover와 Channel, Channel과 Shell을 Bolt와 Nut로 조여 고정시킨다.

(3) Channel Cover

Channel을 외부로부터 밀폐시킨다.

(4) Channel Nozzle

Channel쪽의 유체를 유입 또는 방출한다.

(5) Stationary Tube sheet

Channel쪽에 위치하며 일정간격으로 Tube를 배열시키고 지지하며, Tube와 Shell 간을 분리, 밀폐한다.

(6) Tube

뜨거운 유체와 차가운 유체간의 열전달을 일으킨다.

(7) Shell

Heat Exchanger의 최외각부로서 외부환경으로부터 내부를 차단시키고, 열전달이 일어나는 공간을 제공한다.

(8) Shell Cover

Floating Head 쪽에 위치하며 Rear End 부분을 밀폐시킨다.

(9) Shell Flange

Shell에 부착되어 있으며 Shell과 Shell Cover를 Bolt와 Nut로 고정시킨다.

(10) Shell Nozzle

Shell 쪽의 유체를 유입 또는 방출시킨다.

(11) Shell Cover Flange

Shell Cover에 부착되어 있으며 Shell과 Shell Cover를 Bolt와 Nut로 고정시킨다.

(12) Floating Tube sheet

Floating Cover 쪽에 위치하며 일정간격으로 Tube를 배열하여 지지하고, Tube와 Shell간을 밀폐시킨다.

(13) Floating Head Cover

Shell Cover 쪽의 Tube Side에 유체가 체류할 수 있는 공간을 제공한다.

(14) Floating Head Cover Flange

Floating Head Cover와 Backing Device를 Bolt와 Nut로 고정시킨다.

(15) Floating Head Backing Device

Floating Head Cover를 Tube Sheet에 체결할 수 있도록 Flange 역할을 한다.

(16) Tie-Rod

Tube Sheet와 Baffle Plate가 일정한 간격을 유지하도록 이들을 지지한다.

(17) Spacer

Baffle Plate 간의 간격을 일정하게 유지한다.

(18) Baffle Plate

Heat Exchanger 내의 유체흐름을 유도하여 열교환 효율을 향상시키고 Tube를 지지한다.

(19) Impingement Plate

유체가 유입되는 Shell Nozzle 측에 부착되어 Tube의 마모를 방지하고 유체의 분산을 좋게 한다.

(20) Partition Plate

Channel을 나누어 주는 판으로 Heat Exchanger 내의 Tube Flow 형태를 결정한다.

(21) Vent Connection

Shell Cover의 최상단에 위치하여 수압시험 시 또는 Steam Purge시 기체를 외부로 방출시킨다.

(22) Drain Connection

Shell Cover의 최하단에 위치하여 Heat Exchanger 내부에 남아있는 액체를 방출시킨다.

(23) Instrument Connection

온도와 압력을 측정하기 위한 계기를 부착하는 곳이다.

(24) Support Saddle

Heat Exchanger를 Foundation에 Anchor Bolt를 이용하여 고정시킬 수 있도록 Heat Exchanger를 지지하는 철구조물 이다. 고정되는 부위(Fixed Side)와 움직이는 부위(Sliding Side)로 구분되어 있다.

(25) Lifting Lug

들어올리기 용이하도록 만든 일종의 고리이다.

 

 

 

2) Fixed Type Heat Exchanger

 

 

(1) Bonnet (2) Bonnet Flange (3) Bonnet Nozzle                                     (4) Stationary Tubesheet                               (5) Tube                                               (6) Shell                                             (7) Shell Nozzle                                        (8) Expansion Joint

(9) Tie Rod (10) Spacer (11) Baffle Plate (12) Vent Connection (13) Drain Nozzle (14) InstrumentConnection (15) Support Bracket

 

[그림 9] Fixed Heat Exchanger 의 구조

(1) Bonnet

Tube Side를 흐르는 유체의 유입· 방출을 가능하게 하는 공간을 제공한다.

(2) Bonnet Flange

Bonnet과 Shell을 Bolt와 Nut로 고정시킨다.

(3) Bonnet Nozzle

Bonnet 쪽의 유체를 유입 또는 방출시킨다.

(4) Stationary Tube sheet

Channel 쪽에 위치하며 일정간격으로 Tube를 배열시키고 지지하며, Tube와 Shell 간을 분리·밀폐한다.

(5) Tube

뜨거운 유체와 차가운 유체간에 열전달을 일으킨다.

(6) Shell

Heat Exchanger의 최외곽부분으로서 외부환경으로부터 내부를 차단시키

고, 열전달이 일어나는 공간을 제공한다.

(7) Shell Nozzle

Shell 쪽의 유체를 유입 또는 방출시킨다.

(8) Expansion Joint

Shell이 온도나 다른 힘의 변화에 의한 팽창 또는 수축으로 인해 발생된 변형을 흡수할 수 있게 한 주름(Bellows)이다.

(9) Tie Rod

Tube Sheet와 Baffle Plate가 일정한 간격을 유지하게 하고, 이들을 지지한다.

(10) Spacer

Baffle Plate 간의 간격을 일정하게 하다.

(11) Baffle Plate

Heat Exchanger 내의 유체흐름을 유도하여 열교환 효율을 향상시키고 Tube를 지지한다.

(12) Vent Connection

Shell Cover의 최상단에 위치하여 수압시험 시 또는 Steam Purge 시 기체를 외부로 방출시킨다.

(13) Drain Connection

Shell Cover의 최하단에 위치하여 Heat Exchanger 내부에 남아있는 액체를 방출시킨다.

(14) Instrument Connection

온도와 압력을 측정하기 위한 계기를 부착하는 곳이다.

 

 

3) U-Tube Type Heat Exchange

 

(1) Channel                                        (2) Channel Flange                                (3) Channel Cover                                 (4) Channel Nozzle                                 (5) Stationary Tube sheet                           (6) Tube                                           (7) Shell                                          (8) Shell Cover                                     (9) Shell Flange                                    (10) Shell Nozzle

(11) Tie Rod (12) Spacer (13) Baffle Plate (14) Longitudinal Baffle (15) Partiton Plate (16) Vent Connection (17) Drain Connection (18) Instrument Connection (19) Support Saddle (20) Lifting Lug

[그림 10] U-Tube Type Heat Exchanger 의 구조

 

(1) Channel

Tube Side를 흐르는 유체의 유입· 방출을 가능케하는 공간을 제공한다.

(2) Channel Flange

Channel Cover와 Channel, Channel과 Shell을 Bolt와 Nut로 조여 고정시킨다.

(3) Channel Cover

Channel을 외부로부터 밀폐시킨다.

(4) Channel Nozzle

Channel 쪽의 유체를 유입 또는 방출한다.

(5) Stationary Tubesheet

Channel 쪽에 위치하며 일정간격으로 Tube를 배열시키고 지지하며, Tube와 Shell 간을 분리, 밀폐한다.

(6) Tube

뜨거운 유체와 차가운 유체간의 열전달을 일으킨다.

(7) Shell

Heat Exchanger의 최외각부로서 외부환경으로부터 내부를 차단시키고, 열전달이 일어나는 공간을 제공한다.

(8) Shell Cover

Floating Head 쪽에 위치하며 Rear End 부분을 밀폐시킨다.

(9) Shell Flange

Shell에 부착되어 있으며 Shell과 Shell Cover를 Bolt와 Nut로 고정시킨다.

(10) Shell Nozzle

Shell 쪽의 유체를 유입 또는 방출시킨다.

(11) Tie-Rod

Tube sheet와 Baffle Plate가 일정한 간격을 유지하게 하고 이들을 지지한다.

(12) Spacer

Baffle Plate 간의 간격을 일정하게 한다.

(13) Baffle Plate

Heat Exchanger 내의 유체흐름을 불규칙하게 하여 열교환 효율을 향상시키고 Tube를 지지한다.

(14) Longitudinal Baffle

U-Bending 된 Tube Bundle의 중간에 위치하여 유체가 들어오는 Tube와 유체가 나가는 Tube를 분리한다.

(15) Partition Plate

Channel을 나누어주는 판으로 Heat Exchanger 내의 Tube Flow 형태를 결정한다.

(16) Vent Connection

Shell Cover의 최상단에 위치하여 수압시험시 또는 Steam Purge 시 기체를 외부로 방출시킨다.

(17) Drain Connection

Shell Cover의 최하단에 위치하여 Heat Exchanger 내부에 남아있는 액체를 방출시킨다.

(18) Instrument Connection

온도와 압력을 측정하기 위한 계기를 부착하는 곳이다.

(19) Support Saddle

Heat Exchanger를 Foundation에 Anchor Bolt를 이용하여 고정시킬 수 있도록 Heat Exchanger를 지지하는 철구조물이다.

(20) Lifting Lug

들어올리기 용이하도록 만든 일종의 고리이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.     열교환기의 종류별 적용 및 비교

Type	구조상 특징	적용	제한 또는 단점	제작비 비교(C.S)
Fixed Type	양측의 Tubesheet가 Shell에 용접되어 고정	Shell측의 유체가 고온, 고압	Shell측의 청소 불가능 일반적으로 Shell과 Tube의 온도차가 30℃ 이상일 경우에는 Expansion Joint를 설치함.	1.0
Floating Head Type	양측의 Tubesheet가 열팽창의 영향을 받지 않는다. Tube Bundle을 인출가능한 경우와 불가능한 경우가 있으며 이경우에는 반대측 Cover를 개방하여 가능하게 한다.	부식이 삼하지 않은 유체의 경우에 사용.	Floating Head의 Gasket 부분에서 누출 위험성이 있다. 가격이 높다.	1.2 ~ 1.3
U-Tube Type	1개의 Tubesheet로 되어있으며 Tube는 U자형으로 휘어져 있다. 한쪽이 구속되어 있지 않으므로 열팽창에 대하여 자유롭다. Tube Bundle의 인출이 가능하다.	Tube 측의 고온, 고압 또는 부식성 유체에 적용한다.	Tube측 청소곤란, Bend부분 제작시 주의 (두께감소) Tube 측 과대 유속은 Tube 내측을 손상시킬 우려가 있다. 액체중에 유동입자가 있는 경우에는 좋지 않음.	0.95 ~ 1.05
Kettle Type	Tube로는 U Bundle 또는 Floating Head Bundle 사용.	냉매 및 Process Fluid가 Shell측에서 증발하고 Tube측 유체를 증발시킨다.	수평설치 다른 Type에 비해 Shell이 크다.	1.2 ~ 1.4
Double Pipe Type	큰 외관의 가운데에 작은 내관이 위치한다. Shell측의 유체는 환상부로 흐른다.	비교적 적은 전열면적을 요구할 경우(20㎡이하) 적용하며 30kg/㎠이상의 고압의 경우처럼 이점이 있을 경우에 사용한다.	Pipe의 수가 증가하면 Cost가 높아진다.	0.8 ~ 1.4
Air Cooled Type	대부분 Finned Tube를 사용하며 정방형이고 Fan을 사용하여 공기 를 유통시킨다.	Condenser, Cooler에 적용하며 초기비용이 높으나 종합적인 견지에서 경제적인 경우가 있다.	최종냉각 온도가 기온에 의해 제한 받는다. 설치면적이 크며 Fan때문에 소음이 크다.	1.5 ~ 2.5
Plate Type	금속의 Plate를 성형하여 조립하고 그 사이로 유체가 흐르도록 설계.	Liquid-Liquid Exchanger(식룸, 약품등) 분해, 청소, 소독이 용이함. 1대로 2종 이상의 유체가 열 및 냉각처리 가능함. Compact함.	10 ~ 15kg/㎠ 150℃ 대당 125㎡ 오염의 영향이 크다.

 

 

출처 : 나의자료보관통

글쓴이 : 가을하늘 원글보기

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